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用強化玻璃就真的沒問題?
從玻璃知識ABC 談玻璃選用之考量


☆陳博昌

摘要
         玻璃在生活中之應用極為普遍,而人們對於這項工業產品也存在著許多刻板印象。由於普通玻璃易碎的特性,使得坊間許多製品,如傢俱、家電、建築物等,時常以 標榜著採用強化玻璃以提升其競爭性。強化玻璃的強度確實遠較普通玻璃提高甚多,但是仍有其限度,如果不當地強調強化,極易導致使用者忽略了正確使用的安全 性。本文先從玻璃的基本構成開始,逐項整理並檢討強化玻璃的加工程序與其所可能發生之問題,最後並提出選用玻璃之相關建議以供參考。

一、前言

         玻璃製品在歷史中出現,可追溯遠至數千年前。而發展至今,人類對於玻璃這項產品的運用,更是千變萬化,不論是在建築、電腦、交通、或生活用具,都可見到玻 璃製品的蹤跡,所以它幾乎已是人類日常生活中,每天都會接觸到的工業產品。在人們普遍的心目中,玻璃是一種容易碎裂的東西,於是就衍生出玻璃是一種強度不 高的物質。當然,相較於混凝土、金屬等,玻璃是屬於較易碎裂的物質,但是只要在其外觀形狀上,或透過某些再加工過程,如強化加工,玻璃也可以變成一種具結 構性能的材料。
         事實上,玻璃對於承受均佈載重的承受力遠較瞬間衝擊力為佳,而且不同型式的瞬間撞擊(如尖銳鐵鎚或木槌),對於玻璃也有不同的破壞力。當然,影響玻璃承受 外力衝擊尚有許多因素,如:玻璃材質、再加工方式、厚度、形狀,支撐位置…等,而這些不同因素更可交互結合而衍生出各式各樣的結果。

二、玻璃的組成與生產

         有關玻璃的組成(Composition of Glass),因其組合元素之不同,而產生有不同的特性,例如:純矽玻璃(用於衛星望遠鏡之超輕鏡子、雷射反射器等)、含鉛玻璃(用於霓虹燈管、溫度計 等,水晶玻璃亦屬之)、含硼玻璃(具低熱膨脹特質,用於實驗室或家用容器)等。雖然其組成種類繁多,並各有不同的應用,但皆有一共通之處,就是主要成份為 「二氧化矽(SiO2)」,也就是俗稱的矽土。
         在建築工程中,玻璃更是一種廣汎應用的建材,幾乎每一棟建築物都一定會用到玻璃。建築用玻璃係為Soda-lime-silica(碳酸鈉-石灰-矽土)型式組成,其中主要包含二氧化矽(SiO2,70%)、碳酸鈉(Na2O,15%)、石灰(CaO,10%),及其他的少量元素。就物理性質而言,對於純粹之二氧化矽(SiO 2 ),其熔點高達1700℃!但由於Na2O 的加入,使得其軟化點溫度降為800℃~900℃,也因此提昇了玻璃的可生產性與經濟性。至於建築工程中所常用的平板玻璃,其主要生產方式係採所謂之浮式 生產流程(如下圖),故又稱浮式平板玻璃。此法為英國Pilkington Glass Co.所開發,其方式將玻璃原料置於熔爐中,使之呈現熔融狀態,同時謹慎地控制其溫度,再使之自熔爐中連續地流出,並漂浮在熔融之液態金屬表面上(通常是 「錫」)形成一連續平面,而熔融態的玻璃液表面也因為重力及表面張力之作用而變得平整。此一帶狀平面於生產線上不斷前進,經過自然降溫而成為平板玻璃,最 後再依所需規格裁切尺寸。因此,玻璃最大寬度便受到生產設備規格而有所限制,至於長度部份,便具有彈性而可自由選擇。

三、玻璃強化之方式與問題

         經過浮式生產流程所製造的浮式平板玻璃,即為一般通稱的普通玻璃(或稱退火玻璃,Annealed Glass)。由於普通玻璃較不耐衝擊而容易碎裂,所以人們便思考該如何增強玻璃強度。玻璃強度的提升,的確是可以應用「化學」及「物理」兩種不同方式來 達成。所謂化學方式,係以化學藥劑利用離子交換法改變玻璃表面的成份,使得玻璃得以產生很大的抗壓力;而物理方式,就是以溫度的變化,來改變玻璃內部應力 分佈而提升其強度,故此法又稱作熱處理玻璃(Heat Treated Glass)。熱處理除成本低廉外,更重要的是其玻璃強度一但改變,就不會有隨時間變化而衰減之問題。由於建築物使用年限甚長,且必須承受自然環境之考 驗,所以穩定的強度品質,乃是建築安全中不可或缺的條件,因此,以熱處理方式來提升玻璃強度,自是建築工程不二的選擇。
         以熱處理來增加普通玻璃強度,其重點不單只是讓玻璃再經回火加熱即可,真正能讓玻璃形成強度的要素,乃是加熱後其溫度變化之控制。也就是說,當我們將玻璃 升溫,然後再以人工控制之方式讓其迅速降溫,此時熾熱的玻璃表面便會因急速冷卻而收縮,形成「壓縮應力」,而內部則因保持餘熱而呈現「拉應力」,於是玻璃 便在此表面應力分佈的改變而提升了強度,這便是熱處理的基本原理及概念。至於以熱處理提高玻璃強度,依據其溫度變化控制的不同,因而產生不同的強度表現。 在建築工程中,最常見的熱處理有以下兩種:
         (一)熱硬化玻璃 Heat-Strengthen Glass:
1.表面壓縮應力超過5,500psi
2.強度約較普通玻璃提高2倍
         (二)強化玻璃 Tempered (or Toughen) Glass:
1.表面壓縮應力超過10,000psi
2.強度約較普通玻璃提高4~5倍
         強化玻璃(加熱約800℃左右)是以急速降溫方式,讓玻璃表面快速形成強大的壓縮應力,而熱硬化(加熱約600℃左右)則以較緩的降溫曲線來達到目的,相 對而言,其強度自然就比不上急速降溫的劇烈方式所獲致的效果了。故以上兩種玻璃會呈現不同強度表現,主要在於降溫時間的控制。另外,太厚的玻璃無法進行熱 硬化處理(厚度約以10mm為上限),但強化玻璃則較不受限制。
         經過熱處理的玻璃,因為表面已形成壓縮應力的關係,故將不得再行裁切分割,否則玻璃便會產生破壞。其原因是裁切會造成表面壓縮應力的破壞,導至內外應力平 衡失調,內部的拉應力便會爆發出來,這也可解釋為何強化玻璃破裂後,會碎成一塊塊鈍形小碎片。而對於熱硬化玻璃,因為表面壓縮應力與內部拉應力皆不若強化 玻璃那麼大,所以破壞發生時,便不會如強化玻璃般形成散狀碎塊,而呈現大面積之碎片或裂痕。
         此外,由於製程關係,也使得強化玻璃總免不了有極微小不平整的波浪表面,當然其程度之大小,與各廠家設備、品管、技術皆有直接關係。所以要檢視一片平板玻 璃是否為強化製品,除了看各加工廠商在製品的邊角上打上強化標誌外,只要在光線充足的環境中側視玻璃表面,若看到些微彩色般的光線折射時,便可確認其為強 化製品。而熱硬化則較不會有此一問題,表面可有較佳之平整度。

四、玻璃自己會爆炸?

         玻璃的破損,總是人們對於玻璃製品感到困擾的一項問題,除了破損時會造成使用上的不便或困擾外,其碎片更可能對人體造成傷害。當然,造成破損的原因很多, 但不外乎是外力撞擊、瞬間溫差、不當形變等等。而在建築工程中,除了運輸或安裝過程的破損外,幾乎絕大部份完工後的破壞,都是因外力撞擊所致。形成外力撞 擊的原因有很多,例如異物碰撞、人為破壞、堆置或安裝不當導致邊角不當受力等。但是,除了上述因素外,對於強化玻璃而言,還有一個不能排除的因素,那便是 玻璃的自爆(Spontaneous Breakage)。
         所謂自爆,就是玻璃本身自發性地發生破壞,其肇因就是玻璃中含有微量雜質:硫化鎳(Nickel Sulfide, NiS)所致。其實,在玻璃原料中,微量的NiS便存在其間,因此在玻璃的生產過程裡,總免不了有極少部份的製品含有NiS成份。就學理上來說,NiS可 以兩種型態存在,分別為α-type(穩定態)及β-type(不穩定態)。在常溫下,NiS會以α-type的穩定態存在,但當溫度上升時,NiS便會 轉化成β-type的不穩定狀態。在前面曾說,浮式玻璃生產時熔爐的高溫,的確會使NiS轉化成β-type,但因為其過程為自然降溫,故NiS便可隨玻 璃降溫退火過程自動轉回α-type。所以普通玻璃中即便存在NiS也不會對玻璃產生不良影響。但是,對於經過熱處理來提升強度的強化玻璃而言,NiS便 可能會造成負面影響,此係由於熱處理的高溫作用,會使得玻璃內NiS再度被活性化,更由於強化過程中,玻璃是採急速降溫,NiS便來不及轉換回穩定的α- type,便以β-type被固結在玻璃中,於是這不穩定的NiS就如同一顆不定時炸彈存在於強化玻璃內,一但環境對它發生誘導,便可能會自行爆裂,這也 就是自爆發生的成因。事實上,自爆只會發生在強化玻璃中,並不會發生在熱硬化玻璃,這是因為熱硬化玻璃雖經同樣再加熱的步驟,但因其降溫較為和緩,不像強 化玻璃急速降溫,NiS便可隨溫度下降而轉換回穩定的α-type,自然便不會有自爆之疑慮了。
         當玻璃突然破裂,而又一時找不到原因解釋時,人們便會推論說這是玻璃自爆。其實這是不公平的說法,因為造成玻璃破損的原因很多,自爆只是其中之一,更何況 會發生自爆的機率其實很低,通常只是千分之幾與萬分之幾的機率,當然這與各玻璃生產廠的原料、品管等等因素有關。對建商或營造廠而言,有時候幾個工地碰不 到一片自爆,有的卻一批玻璃自爆了幾片,所以這是機率問題,不過總歸而言,碰到自爆的機率總是相對較低的。此外,對於外牆玻璃,因為直接暴露於室外環境, 在日夜冷熱溫差循環的交替作用下,若玻璃含有NiS成份,也應會在使用的前期便被誘發出來,當不致於在使用數年後,才發生自爆現象。
         自爆的問題可說是強化玻璃無法避免的宿命,但是我們可以透過一些手段來降低自爆對使用者的影響,而其方法便是可採用「熱浸試驗(Heat Soak Test)」來篩檢出這些含NiS的強化玻璃。從另一個角度看來,熱浸試驗也可視為是對強化玻璃中NiS成份所進行之品管篩檢方法。其步驟是將強化玻璃緩 慢地加熱(約需2個小時)至近300℃,並保持在此一溫度約八小時,最後再緩慢地降至常溫(亦約需2個小時)。所以熱浸試驗的過程是相當的冗長,而其目的 就是以溫度的升高來誘使NiS活潑化,並使之於爐中爆破。但是有一點要特別注意,就是熱浸試驗長時間的高溫,可能會導致強度的衰減,所以在整個的過程必須 謹審而小心的控制,不可使溫度過高,以免造成所謂的「退強化」現象。
         對於熱浸試驗,還有一個重要觀念,就是熱浸試驗是一種對強化玻璃是否含NiS成份的篩檢手段與方法,但是它並不能將NiS從強化玻璃中去除。此外,任何試 驗都有其誤差值,熱浸試驗也是一樣,它雖可過濾出含NiS的強化玻璃,但仍無法百分百篩檢出含NiS的所有製品。所以熱浸試驗當然可將自爆風險度明顯有效 的降低,但仍不能夠完全排除自爆發生之機率。

五、選用玻璃的考量因素

         對建築工程而言,欲選擇正確合適的玻璃類型,就必須於事前進行多方面評估,因為建築物的使用壽命長達數十年,甚至百年以上。特別是外牆部份,一但選擇錯 誤,除將造成安全、功能、與美觀上之問題外,對於建築物日後維護成本,如空調費用,亦會造成額外負擔,所以事前的完整評估確有其必要性。至於選用時的評估 及考量因素,建議可從下列幾項要點著手。當然,考量因素亦當不僅限於文中所列之各項,設計者或規劃者更可依自身不同需求,以其個別的角度來探討。但無論如 何,事前多花一點功夫,對於未來的使用就會有更多保障!
(一)安全性:
         選用玻璃首要考量應為安全性,因為不安全的玻璃,除對使用者是一種風險外,對於無辜的第三人亦是潛在的危害。而對於玻璃安全的檢討,主要的重點有:
1.結構強度:主要是對風壓載重與地震力的檢討。
  (1)風壓載重
         即玻璃是否可承受正負風壓作用而不會破壞。就建築設計者而言,選擇大面積的單一玻璃,的確能帶來視覺上極佳的通視效果,不過在使用的限制上,除了考量其生 產加工的規格極限外,不同的設計條件(風壓強度、容許變形量、結構型態、玻璃種類等),亦控制著我們選擇玻璃的最大尺寸。
         其中,所謂結構型態是指玻璃安裝的型式,簡單地說,不外乎是:四邊框料、兩側框料(兩側有框料,另兩側以結構矽膠黏結,又稱2-Sides Capture)、無框料設計(四邊皆以結構矽膠黏結,又稱4-Sides Capture)、點支撐方式、懸吊式、或平接無背擋支撐等各類型態。此外,以結構膠黏結之系統(又稱化學固定方式)比一般框料系統(又稱機械固定方 式),更要考慮結構矽膠之材料與施工品質,以及結構膠強度是否足以承受正負風壓應力與玻璃自重。
         此外,就玻璃厚度而言,厚度的增加對於結構上耐風壓強度當然有絕對幫助。話雖如此,但是厚玻璃除了增加玻璃成本外,也因重量增加,對於框料與繫件之要求也 隨之增加,對於整體的經濟性便有負面的影響。所以我們才需要小心謹慎地評估,以求在安全與經濟性中取得平衡。
  (2)地震力
         由於一般玻璃組裝於框料中,不應與框料有直接的碰撞或接觸,而是必須置於墊塊上,所以對於地震力之檢討,重點應是框料內應有足夠的空間,使玻璃不會被因地 震力作用而形變的框料撞擊,或因而自框料脫出。由於玻璃的邊緣為脆弱點,特別是強化玻璃,若其邊角受到不當外力作用,極易使整片玻璃破壞,故應小心檢討。 此外,選用硬度適中之墊塊(過軟或過硬皆不宜),以及正確的安裝墊塊,對於玻璃之安全亦有良好的保護作用。
         當然對於外牆玻璃而言,其影響的外力除了風壓與地震外,尚有其它的作用力,如溫度所造成熱脹冷縮、異物撞擊衝擊力等。但這些外力,若不是屬於影響程度微小 的因素,就是屬於特殊的異常狀態,故不在一般常態的評估中列入考慮,除非是該特定需求強烈時,才會單獨列出評估。例如,若須對防止外力撞擊列入評估重點, 則可將不同的規格制品,分項列表來進行評估(如:玻璃厚度加厚、或採多層膠合玻璃、或面貼防爆膜等)。
2.破損時之影響
         使用玻璃就不能排除破壞的可能性,所以破損所造成之影響就必須在事前評估與避免。當然使用者可以依其使用時機、地點、以及結構需求來選擇玻璃種類,而以下幾點建議更可為建築外牆工程之選用參考:
         (1)當熱硬化玻璃的強度足以符合需求時,就儘量減低使用強化。
         (2)使用強化玻璃時,在成本費用許可下,建議加作熱浸試驗。
         (3)為避免玻璃破損導致碎片飛散傷害人體,可以考慮使用膠合玻璃。而當玻璃以水平放置時(如天窗玻璃),則應使用膠合玻璃,且應避免兩片皆使用強化玻 璃,其原因是在於若兩片強化玻璃同時破損,該玻璃可能因而喪失支撐力而整塊掉下。建議以一片強化、一片熱硬化應屬較為理想。
(二)節能性:
         由於玻璃具有優秀的採光性,也具有良好得視覺通透效果,所以現代帷幕牆設計莫不喜歡採用大面積的玻璃。但是,從另一角度來看,大面積採光卻會使熱能穿透玻 璃,由於帷幕建築的封閉性,將使熱能無法經由自然通風散去,因而在室內持續累積使得溫度上升。換句話說,使用者就必須支出較多的空調成本,而此一成本支出 不單反應在空調機具直接採購上,對於日後的維護運轉亦然,所以節能的考慮,常是業主、建築設計者對玻璃的採用產生了許多顧忌。所幸由於玻璃工業的發展,使 得建築玻璃在節能性能上已有長足的進步,如反射鍍膜的成熟應用、Low-E(Low-Emission or Low-Emissivity)鍍膜的開發、複層玻璃製成技術的進度等,都使得玻璃在節能與環保的考量上,不再是為人詬病的敗筆。對於玻璃節能性,主要可 以從以下兩個數據來評估:
 1.U值
         依ISO-DP10292,U值代表在室外風速每秒4.8m且溫度5.5℃,而室內20.5℃時,熱能由室內向外發散效率。U值愈高代表室內熱能較易向室 外流失,所以對於寒帶國家而言,玻璃就應選用U值低的玻璃以減少室內暖氣的散失。但台灣則剛好相反,因為我們地處亞熱帶,且夏天市區溫度甚高,所以可選用 U值較高的玻璃以利室內高溫向外散發。
 2.UV反射率(或穿透率)
         紫外線反射率高(或低穿透率),當然就會有較佳的節能效果。
         談到U值,順便再就複層玻璃內之氣體特性作一討論。所謂複層玻璃係指兩片玻璃中間夾著一層氣體,四邊再以密封條緊閉,具有極佳的隔音與熱阻絕性能。由於複 層玻璃內部必需灌入乾燥氣體,才不致會有內部結露的問題發生,故為確保空氣乾燥,實務上可將乾燥劑置入封邊條內,以確保內部空氣乾燥,以達良好的隔絕效 果。至於灌入氣體的種類,可以是注入乾空氣或是惰性氣體(一般以氬氣為主)。而兩者使用上之差異,主要是在於灌入惰性氣體可降低複層玻璃U值,防止室內暖 氣向外流失,故較適於嚴寒氣候區域。而亞熱帶氣候型的台灣,因為低U值不利建築物內部向外散熱,此將會提高空調耗電量,故以灌乾燥空氣的複層玻璃較為適 合。
(三)隔音性:
         玻璃另一個重要評估因素就是其隔音效果。其實,完整的外牆隔音性能,必須透過整體性的考量,包含框料設計、玻璃類型、五金選用、膠條密合等。換言之,良好 的隔音效果,應是為所有零配件整體組合的成果展現。不過單就玻璃產品而言,籠統地說,玻璃厚度應是一項重要關鍵。此外,膠合玻璃與複層玻璃亦遠較單片玻璃 提供較好的隔音性。當然,較厚的膠合膜與中間空氣層,亦會對隔音會有正面的效果。
(四)耐久性:
         在一般的觀念中,玻璃成品除非受到外力撞擊,並不會有外觀與品質上的改變。事實上也是如此,不論是普通、熱硬化、強化、抑或是弧型玻璃,一但生產製作完 成,皆不會再有強度或品質上之改變。但是對於某些再加工之玻璃,便須注意其耐久性,如反射鍍膜,應瞭解其生產方式(On-Line或Off-Line生 產),並注意反射膜面是安裝於室內或室外側,以免日後發生變色不均勻之現象。又如膠合玻璃,應注意膠合膜與填縫材之相容性,才不會造成膠合膜與填縫材日久 後因化學反應而發生剝離。
(五)美觀性:
         至於美觀性,實是一個見人見智的問題。但對於單一片玻璃表面平整度,強化玻璃因受製程之限制,總免不了會有些微折射現象而使反射的影像產生扭曲(當然各家 廠商生產設備、經驗、品管要求不同,也會有明顯差異),所以在選擇上,就只能依個人的喜好來加以評估。至於玻璃反射之問題,強烈的反射光線會造成路人視覺 不適,更影響與行車安全,故對於可見光反射率過高的玻璃應避免採用。

六、結論

         玻璃工業在人們印象中已是成熟產業,並且應用在建築工程中的形態也已近乎定型。但事實上,許多新的技術仍不斷地被研究、開發,並已成為商品銷售,而其發展 之趨勢,除提供玻璃原有功能外,更以增加其附加價值為目的,例如防火玻璃、高性能節能玻璃、自潔性玻璃等。此外,在日本亦發展出如透明玻璃般的陶磁製品, 更已被應用作為建築物室內外之防火玻璃。
         近年來,玻璃在建築物外牆面積所佔的比例有逐步增加之趨勢,而大面積的玻璃帷幕外牆,也似乎讓建築物透露著科技發展與現代都會的時髦風貌。玻璃在建築工程 的應用實為千變萬化,但也存在著許多問題值得我們認真地檢討。文中所闡述的內容,主要僅都是筆者以往接觸帷幕牆工程時,所面臨的實際問題,也是筆者與許多 業主、建築師、工程師在進行業務與設計檢討中,較常被提出探討之項目;文中內容如有疏漏與謬誤之處,尚祈工程先進們不吝予以指正。■

參考文獻

1.Joseph Amstock,”Handbook of Glass in Construction”,McGraw-Hill
2.Stefan Behling,Sophia Behling ,”Glass: Structure and Technology in Architecture”,Prestel
3.Glass on Web,Glass Manual,http://www.glassonweb.com/glassmanual/index.php
4.Pilkington,Pilkington Technology,http://www.pilkington.com/corporate/english/ pilkington+ technology/default.htm
5.旭硝子株式會社,商品紹介,http://www.asahiglassplaza.net/kaiteki/product_info/ index.htm
6.台灣玻璃工業公司,產品介紹,http://www.taiwanglass.com/tc/products/ flatglass/index.html




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